2.1 기존 일체형 리듐인산철 축전지 시스템 문제점 분석

은 기존 리듐인산철축전지 48[V] 100[A] 모듈팩이다. 15S 1P( 셀 갯수 15개 / 1팩 )의 일체형 구성으로 19인치 4U~5U의 사이즈에 무게는 약 50Kg 전후로 무겁다. 고장시 모듈 교체를 위해 실탈장하는 과정에 낙하 사고에 따른 산재사고의 위험이 상존하고 있다. 참고로 표 2의 고용노동부 안전보건공단의 2024. 6월말 산업재해 현황 자료를 제시한다. 중량물을 취급하는 과정에 부딪힘, 물체에 맞음 사고로 인한 재해자와 사망자 수가 총 8,893명에 달한다. 부딪힘 사고로 인한 재해자 수는 전년 동기 대비 411명이 증가하였고 사망자수는 10명 감소하였다.

출처 : 고용노동부 홈페이지 > 정책소개 > 정책자료실 > 2024. 6월말 산업재해 현황^[8]

셀의 고장에 의한 교체 비용도 비싸다. 또한 폐기물 처리되는 셀들로 인한 환경오염도 증가한다. 전기적으로는 온도센싱 회로가 48[V] 100[A] 모듈팩 내부 1~2개소에 한정되어 있어서 개별 셀들의 문제 발생시 열폭주에 따른 화재 예방은 불가하고 모듈팩의 연소까지 이어지는 문제가 있다.

그림 1. 48[V] 100[A] 일체형 축전지 모듈팩과 시스템 구성

Fig. 1. 48[V] 100[A] integrated battery module pack and system configuratione

2.2 카드식 리듐인산철 축전지시스템 개발 제작

그림 2는 위에 설명한 그림 1의 기존 축전지들의 문제점을 해소하고 개별 셀 단위의 온도 센싱이 가능한 구조로 개발한 카드식 리듐인산철 축전지 시스템으로 제작한 개발품이다.

그림 2. 48[V] 100[A] 카드식 축전지 모듈팩과 시스템 구성

Fig. 2. 48[V] 100[A] card-type battery module pack and system configuratione

2.2.3 Slave BMS 온도센싱 Gateway 모듈 개발

기존의 48[V] 100[A] 용 BMS 모듈들 대부분은 온도 센싱용 I/O PORT를 4개만 제공하고 있기에 본 연구에서 목적하는 16개의 셀의 온도를 감시하는데 PORT의 제약이 있다. 이에 ATMEGA328P-PU 8-Bit MCU를 적용하고 기본 회로도와 해당 아날로그 신호핀을 그림 3과 그림 3-1에 표시하였다.

그림 3. ATmega328 8-Bit MCU 기본 회로도

Fig. 3. ATmega328 8-Bit MCU basic circuit diagram

그림 3-1 ATmega328 8-Bit MCU 기본 회로도

Fig. 3-1 ATmega328 8-Bit MCU basic circuit diagram

2.3 카드식 리듐인산철 축전지시스템 H/W

그림 4는 48[V] 100[A]를 구성하는 트레이 내부의 실장도이다. 개별 셀 단위로 착탈 가능한 구조로 무게는 2.5 Kg으로 대폭 줄어들어 안전사고의 우려를 해소할 수 있으며, 사후관리 교체비용 또한 대폭 절감이 가능하다. 1U의 배터리 모듈 3개가 1개조로 구성되며, 배터리 모듈 2~3은 각 6개의 셀과 온도센서 PCB ASS“Y 2개로 구성되어 S-BMS 와 BMS Gateway와 4개의 셀과 온도센서 PCB ASS”Y 2개로 구성된 배터리 모듈 #1로 연결되어 배터리 총 전압은 최종 3.2[V] x 16 CELL = 48[V]로 구성되고, 전송된 온도 데이터는 온도센서 수집모듈로 모아져서 I2C 통신으로 BMS Gateway 모듈로 전송되는 구조이다.

그림 4. 48[V] 100[A] 축전지 모듈 내부 구성

Fig. 4. 48[V] 100[A] battery module internal configuration

충,방전시 이상징후 감지를 위해 배터리 셀 표면온도와 모듈 내부 온도의 변화를 측정하기 위한 48[V] 100[A] 축전지 모듈(3.2V 105Ah 셀 16ea 구성/ 16S 1P)을 2세트 시제품으로 제작하였으며, 이때 각각의 셀 들의 표면온도를 센싱할 수 있는 적외선 온도센서 GY-906을 그림 4의 구성과 같이 셀의 양극과 음극 사이의 전해액 주입구 캡 중앙에 배치(셀 충전중 온도상승이 최고로 발생하는 부위)하였고, 총 16 셀의 온도 데이터수집 모듈을 배터리 모듈 내부에 구성하였다. 적외선 온도센서를 장착한 축전지 셀과 배터리 모듈 #1 TRAY, 그리고 BPU 모듈을 실장한 전체 시스템 구성을 그림 5에 표시하였다.

그림 5. 카드식 리듐인산철 축전지 셀/모듈/시스템 H/W

Fig. 5. Card type lithium iron phosphate storage battery cell/module/system H/W

2.4 카드식 축전지 시스템 계통도

시험용 카드식 축전지 시스템의 H/W와 S/W(UI포함)의 전체 계통도는 그림 6과 같다. BATT Module 단위에서는 각 셀에 적외선 온도센서를 PCB ASS‘Y로 실장하여 총 16개 셀의 온도 데이터를 I2C 통신으로 온도수집 모듈로 전송 및 취합한다. 또한 셀의 전압도 SLAVE BMS 모듈로 I2C 통신으로 전송하여 취합된 데이터를 BMS Gateway Module을 통해 그 데이터를 상위단의 BPU Module의 Master BMS로 TCP/IP 통신으로 전송하여 종합 처리후 UI 화면에 표시하고 사용자가 설정한 각종 임계값등과 비교 / 연산하여 각종 경보를 처리하고 보호회로를 동작하는 방식이다.

그림 6. 카드식 리듐인산철 축전지 시스템 계통도

Fig. 6. Card-type lithium iron phosphate storage battery system schematic diagram

3.1 실험 구성도

개발된 카드식 축전지 모듈과 시스템의 충방전 시험과 전기적 특성 시험을 진행하기 위한 실험 구성도는 그림 7과 같다. 시험 조건은 충전은 표 3의 0.5C-Rate, 방전은 1C-Rate로 진행하였으며, 전기적 특성시험은 철도용품 공사규격서(리듐인산철 축전지/KRCS C272 01)을 준용하였다.

그림 7. 충방전 실험 구성도

Fig. 7. Charging and discharging experiment configuration diagram

3.2 카드식 축전지 시스템 BMS S/W(UI)

수집된 온도 데이터의 처리와 분석을 통해 보호회로를 동작하기 위해 개발된 UI는 종합관리 화면을 첫 화면으로 배치하여 시스템에 대한 종합정보를 그림 8에 제공하고, 16개 셀 온도와 Soc, 셀 전압등은 그림 9에 두 번째 화면을 구성했으며, 온도와 전압에 대한 보호회로 ON/OFF 동작용 제어회로 경보 임계값, 차단 임계값 설정화면은 세 번째 화면에서 사용자가 각종 임계값등을 설정 후 제어할 수 있도록 그림 10으로 구성하였다.

그림 8. 48[V] 100[A] 시스템 종합정보 제공 화면

Fig. 8. 48[V] 100[A] system general information screen

그림 9. 16개 셀의 온도와 SoC, 셀전압 화면

Fig. 9. 16 cell temperature, SoC, and cell voltage screen

그림 10. 사용자용 제어 설정 프로그램 화면

Fig. 10. User cell temperature control setting program screen

3.3 개별 셀 고온시 보호 동작용 회로도와 알고리즘

개별 셀과 모듈의 고온 발생, 모듈의 과충전, 과방전 및 단락등의 중요 이상 발생시 메인 차단기 보호회로를 동작시키는 회로도는 그림 11과 같으며, 이때의 릴레이 동작신호는 그림 3의 ATMEGA328P-PU 8-Bit MCU의 OUT PUT_MCU1으로 제시되며, 16개의 개별 셀들의 고온 감지시 2단계 온도 보호 알고리즘과 플로우차트는 그림 12와 그림 13에 표시하였다.

그림 11. MASTER BMS 차단기 동작 회로도

Fig. 11. MASTER BMS breaker operation circuit diagram

그림 12. 셀 고온 알람/차단 임계값 제어 알고리즘

Fig. 12. Cell High Temperature Alarm/Shutoff Threshold Control Algorithm

그림 13. 셀 고온 알람/차단 임계값 제어 플로우 차트

Fig. 13. Cell High Temperature Alarm/Shutoff Threshold Control Flow-chart

4.1 충전시 SoC RATE 10%~100% 온도상승 실험 결과

카드식 축전지 시스템을 시험하고 제어하기 위한 UI를 세팅하여 충방전시 SoC RATE별 온도변화 시험을 진행하고 축전지 모듈과 개별 셀들의 온도 데이터를 수집하였다. 충전 시험은 표 1의 EVE사 권장 충전 전류인 0.5C(52.5 A)로 진행했으며, 셀 충전시 Passive Cell Balancing 임계값으로 설정한 3.45v에 도달한 셀들부터 Cell Balancing이 동작되어 나머지 셀들이 3.45v에 수렴될 때 SoC 100%를 기준하여 충전을 멈추고 개방회로전압(Open Circuit Voltage,OCV)을 측정하였다. 또한 SoC 100% 충전된 배터리 셀들을 완전방전(1C-Rate)을 진행한 후에 SoC 10%에서 OCV와 셀 온도를 측정한 데이터를 그림 14와 그림 15의 UI화면으로 제시한다. 실험시 주위온도는 25 ℃ ± 1 ℃로 진행하였다.

충전시 시간 경과에 따라 SoC Rate 구간별 셀의 온도와 충전 전압의 변화를 측정하여 그 데이터를 표 5에 정리하였고 이를 그래프로 도식화하여 그림 16에 표시하였다. SoC Rate 에 따른 16개 셀 온도 상승분의 차이는 적게는 5 ℃에서 많게는 7 ℃의 분포를 보여주고 있다. 이는 C-Rate의 변수도 온도 상승에 중요한 역할을 차지하고 있음을 확인할 수 있다. 축전지의 안전한 사용을 위해서는 제조사의 권장 C-Rate의 준수가 필요하다.

그림 14. 충전시 셀온도, 전압, SOC 100% RATE UI

Fig. 14. Cell temperature, voltage, SOC 100% RATE UI during charging

그림 15. 방전시 셀온도, 전압, SOC 10% RATE UI

Fig. 15. Cell temperature, voltage, SOC 10% RATE UI during discharging

그림 16. SoC RATE 구간별 셀 온도변화 특성 그래프

Fig. 16. Temperature data graph by storage cell SoC RATE

4.2 충전시 온도 상승에 따른 회로보호 동작 실험 결과

온도 상승에 따른 보호회로 동작시험은 각 개별 셀들의 온도 값에 따른 회로 보호용 경보 임계값과 차단값을 사용자가 설정할 수 있게 하여, 경보 발생 온도는 55℃로 세팅하고 회로 차단값은 60℃로 설정하여 시험을 반복후 지속적으로 온도값등을 수집하고 이를 기준으로 경보발생과 보호회로 동작을 시험하였다. 그림 12의 알고리즘과 그림 13의 알고리즘 플로우 차트로 회로보호 동작 과정을 시험하였다. 이를 위한 보호회로 경보 발생 임계값과 차단 동작 임계값을 설정하는 온도 기준은 셀 제조사가 권장하는 충,방전시 온도 범위를 참고하였다. 보호회로 동작 설정용 UI는 그림 17에 제시하였다.

그림 17. 셀 고온 알람/차단 임계값 제어 설정화면

Fig. 17. Cell high temperature alarm/blocking threshold control setting screen

4.3 충전시 모듈 온도변화 결과

충전시 시간 경과에 따른 SoC RATE 별 모듈의 온도 변화 데이터를 측정하여 개별 셀과 비교한 결과를 표 6에 정리했으며, BMS로 수집된 모듈팩 온도와 개별 셀들의 최저온도, 최고 온도를 그림 18 SoC 100% 와 10%일 때의 온도로 확인 할수 있다.

그림 18. SoC RATE 구간별 셀과 모듈 온도차이 UI

Fig. 18. UI of cell and module temperature difference by SOC RATE section

4.4 종합 결과 고찰

시험 결과가 표 5와 같이 도출된 것을 토대로 충전시 SoC 100%의 셀의 온도 변화값이 모듈 팩의 온도 변 화값 보다 많게는 7℃의 차이가 있는 점에 주목하여 기존 모듈 팩 제품들이 75 ℃에서 회로 보호가 동작 되도록 온도 감시를 활용 하고 있던 것을 이제는 셀 단위 온도 감시로 전환하여 적용한다면 모듈팩 단위의 온도 감시보다 시간적으로 훨씬 선제적인 보호가 가능해진다.

회로 보호동작 또한 그림 19의 독일 바테모 연구소의 LF105 셀의 열특성 데이터^[9]를 기준으로 정상 1C RATE 350W 지점 온도는 40 ℃ 전후에서 교차하고 있음을 확인할 수 있으며, 가혹한 방전 조건인 4C RATE 1350W에서 셀온도가 65℃로 최고로 상승하는 교차점의 확인이 가능하다.

이후로는 충전시 비정상적인 셀 온도의 상승이 있을 것을 대비해서 55℃에서 1차 알람을 발생시키고, 60℃ 에서는 회로를 차단하는 2차 보호동작을 통해 보다 더 안전하게 리듐인산철 축전지를 사용하고 관리가 가능해질 수 있음을 유추해 볼 수 있다. 축전지의 열폭주에 대한 근원적인 대안이나 대책이 없는 현재 시점에서는 본 개발의 결과를 실제 현장에서 적용한다면 화재사고등에 조금은 더 선제적이고 안전하게 대응할 수 있을 것이다.

그림 19. 독일 바테모 열특성모델의 IC ~ 4C 교차점 그래프

Fig. 19. IC ~ 4C intersection graph of German Batemo thermal characteristics model